Ferroelectric-based devices, such as ferroelectric field effect transistor and ferroelectric random access memory, have attracted much attentions due to their advantages like high speed, low power, non-volatility, and process compatibility. As the device size shrinks, simulation-based research becomes important. However, the simulation approaches and commercial tools have limitations in modelling nano-scale semiconductor channel characteristics. This thesis aims to bridge this gap by developing a simulator that integrates three-dimensional continuum physical models with quantum mechanical transport models, encompassing the Landau-Ginzburg equation, the non-equilibrium Green's function equation, Poisson equation, heat equation, and Navier-Cauchy equation. The ultimate goal is to develop a multi-physics simulator reflecting both thermal and mechanical coupling, facilitating advanced research on next-generation ferroelectric-based semiconductor devices.
차세대 메모리 소자로 강유전체를 활용한 반도체 소자가 많은 주목을 받고 있다. 강유전체의 경우 고속, 저전력, 비휘발성, 공정호환성 등의 장점을 갖고 있으므로 강유전체 전계 효과 트랜지스터, 강유전체 터널 접하 소자 등 강유전체를 이용한 다양한 반도체 소자들에 연구개발이 집중되고 있다. 한편, 소자 집적화 및 축소화로 인해 시뮬레이션을 통한 소자 연구가 중요해지고 있다. 하지만 기존 이론적 연구 및 상용 툴들의 경우 제한적인 모델에 의존하고 있으며 나노 수준의 반도체 채널의 특성과 열적 기계적 상호작용을 고려한 시뮬레이션 연구가 매우 미비하다. 본 학위 연구에서는 3차원 기반의 연속체 물리 모델들과 양자 역학적 수송 모델을 통합하여, 강유전체 기반 로직/메모리 소자의 특성 예측 및 분석을 위한 시뮬레이터 개발을 목표로 한다. 3차원 시간 의존 란다우-긴즈버그 방정식, 비평형 그린 함수 방정식, 푸아송 방정식, 열전달 방정식, 기계적 평형 방정식을 반영한 다중 물리 시뮬레이터를 개발 한다. 개발 툴을 활용하여 차세대 강유전체 기반 반도체 소자 연구를 진행한다.
